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关键词： 拉胀超材料   低应力水平   压缩-扭转耦合效应   手性结构   能量吸收性能  

摘要： 超材料是一种通过人为精心设计微结构实现超常性能的新型复合材料,其中一类具有反常规负泊松比的超材料被称为力学拉胀超材料。由于其独特的力学性能,已经被广泛应用于航空航天、医疗器械、运动服饰等领域。现有的力学拉胀超材料微结构主要包括穿孔结构、杆系结构等,内部存在大量的尖角和薄弱区域,极易发生应力集中,造成超材料如圆筒状拉胀超材料结构破坏。为了降低圆筒超材料的应力水平,本文基于二维花生形孔反手性单元,设计出了能够大幅缓和应力集中的圆筒状拉胀超材料,并通过单轴压缩实验和数值模拟综合研究了该结构的力学性能。进一步探索发现,不同连接方式的手性单元能够实现截然不同的变形模式,并以此提出了新型圆筒状压扭超材料,同样进行了相关的力学性能研究。由于薄壁结构和多孔材料具有良好的能量吸收性能,本文还对提出的新型圆筒超材料的动态压缩性能进行了分析。全文的主要内容如下:(1)采用3D打印机制备了新型圆筒状拉胀超材料试样,对其进行了单轴压缩实验,测得了相关力学性能,并通过经过实验验证的数值模拟研究发现,新型拉胀圆筒具有极低的应力水平、更好的稳定性和更强的承载能力等优势。此外还探究了拉胀圆筒的变形机理和几何参数对圆筒超材料拉胀性能的影响。(2)通过有限元的显式算法对动态压缩下的低应力圆筒拉胀超材料的变形模式、能量吸收性能等进行了研究,并探究了压缩速度和圆筒壁厚对动态压缩性的影响。(3)基于四翼回旋镖形状手性单元设计了新型圆筒状压扭超材料,并进行了相应的实验和数值模拟,分析了压扭圆筒的变形机理和径向变形。对比现有的压扭圆筒,新型压扭圆筒的弯曲韧带具有更好的柔韧性,每1%压缩应变能够实现超过20°的扭转角。(4)采用数值模拟研究了新型压扭圆筒的动态压缩性能,动态压缩过程中出现了两个能量吸收阶段,其中阶段二表现出了很高的比吸能和压溃力效率。压扭圆筒在动态压缩下不断扭转,压缩量超过70%时径向变形仍然很小,具有极高的空间利用率。

关键词： 应变硬化水泥基复合材料（SHCC）   国产PVA纤维   海砂   粉煤灰   减水剂助剂  

摘要： 应变硬化水泥基复合材料(Strain Hardening Cementitious Composites,简称SHCC)极限拉应变超过0.5%,平均裂缝宽度不超过200μm,克服了普通混凝土韧性差、裂缝宽度难以控制等缺点,在拉伸状态下呈现准应变硬化和多缝开裂特性,韧性和耐久性优异,SHCC的性能改善给不同场景下的应用推广带来了无限的可能性。目前为止我国针对SHCC已开展了大量研究,取得了众多成果,但也存在不少课题,特别是在国产纤维应用于SHCC材料的可行性上还须进一步开展研究。此外,现阶段陆上砂石资源已难以弥补每年巨大的建筑用砂缺口,探索海砂的使用是缓解这一难题的重要措施之一。而目前为止在使用国产纤维制备SHCC的研究中,关于使用原状海砂的研究更是缺乏。鉴于此,本研究设定的主要研究目标是探究国产纤维和原状海砂应用于SHCC材料的可行性。围绕该研究目标,本文首先对近二十年国内关于SHCC的研究现状进行了综述,根据综述的结果制定了研究方案。本文选择海砂替代河砂,为缓解建筑用砂紧缺提供参考;用国产PVA纤维代替日本产PVA纤维,为推广国产纤维的使用提供借鉴;并掺入不同掺量的粉煤灰和消泡剂、增稠剂等减水剂助剂,探究对SHCC试件力学性能的改善效果。为实现研究目标,本文对各组试件分别进行了抗压试验、单轴直接拉伸试验、三点弯曲试验,以拉弯性能为主要评价指标,抗压强度为基本力学性能评价指标,从宏观层面综合评价各组试件的力学性能,并进行纤维接触角测试和试件截面SEM电镜扫描,从微观层面分析不同影响因素对试件性能的影响。基于宏观和微观试验结果,最终得到下述结论:首先确定了国产PVA纤维具有较强的亲水性,应用于SHCC中具有一定的增强增韧效果,从而确定了国产PVA应用的可行性和适合的纤维掺入顺序即纤维后掺法;其次用海砂代替海砂确定了海砂应用的可行性;在此基础上探究粉煤灰掺量对力学性能的影响,并确定了 50%的粉煤灰掺量为最佳掺量;最后研究了消泡剂与增稠剂两种减水剂助剂的作用效果,结果显示改善效果并不理想,应谨慎使用。

关键词： 玄武岩纤维   表面改性   聚对苯二甲酸丁二醇酯   力学性能   阻燃性能  

摘要： 聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）是一种广泛使用的工程塑料,具有良好的加工性能、绝缘性能和耐化学腐蚀等特点。然而,纯PBT材料在力学性能和阻燃性能方面存在的不足,极大的限制了其在工程塑料领域的应用。所以,制备出力学性能优异且兼具阻燃性能的PBT基复合材料成为亟待解决的问题。本文以纳米三氧化二锑（nano-Sb2O3）、溴化环氧树脂（BEO）为阻燃组分;在nano-Sb2O3/BEO-PBT阻燃体系下,选用绿色环保、高性能的玄武岩纤维（BF）作为增强纤维,通过熔融共混-注塑成型的方法制备BF增强阻燃PBT基复合材料。在制备过程中,为了提高BF与PBT之间的界面结合强度,采用不同类型的改性剂以单独改性与复配改性的方式对BF进行表面修饰,研究了不同改性剂、不同改性方式表面修饰的BF以及BF的含量对阻燃PBT基复合材料力学性能、结晶性能和阻燃性能的影响,并探讨了BF、改性剂、PBT之间的界面反应机理以及BF的作用机制。在此基础上,选用新型双官能团增韧剂SWR-6B协同复配改性BF增韧阻燃PBT基复合材料。主要研究工作和结论概括如下:（1）研究了不同改性剂对BF表面性能和强度的影响。结果表明:阳离子改性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和硅烷偶联剂N-β-（氨乙基）-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷（KH602）通过不同的作用方式成功包覆在BF表面,提高了BF的单丝拉伸强度。另外,改性剂吸附在BF表面为其引入了新的活性基团,提高了BF表面的润湿性。（2）制备了表面改性BF增强阻燃PBT基复合材料。改性剂在BF表面形成了一层与PBT高度相容的界面层,改性后的BF均提高了阻燃PBT基复合材料的拉伸强度、杨氏模量和缺口冲击强度。其中,改性剂对BF增强阻燃PBT基复合材料力学性能的增强效果从强到弱依次为CTAB/KH602、CTAB和KH602,尤其是CTAB/KH602复配改性的BF对阻燃PBT基复合材料的力学性能发挥了协同增强作用。（3）研究了复配改性BF的含量对阻燃PBT基复合材料力性能的影响。在BF拉断和脱黏拔出的耗能机制以及其在基体中分散性的影响下,当BF的含量为25 wt.%时,BF达到了最佳的增强效果。此时,复合材料的拉伸强度为88.6 MPa,缺口冲击强度为7.3 KJ/m2;相比于纯PBT分别增加了64.7%和37.7%。同时随着BF含量的增加,阻燃PBT基复合材料的阻燃性能被提高。（4）BF实现了对阻燃PBT基复合材料的增强增韧。复配改性BF协同SWR-6B进一步提高了阻燃PBT基复合材料的缺口冲击强度,但使其拉伸性能下降。基于力学和阻燃性能的综合考虑,在复配改性BF为25 wt.%的BF增强阻燃PBT体系下,添加3 wt.%的SWR-6B时,复合材料的综合性能最佳。

关键词： 飞艇蒙皮材料   初始切缝   撕裂性能   高低温交变   拼接带  

摘要： 平流层飞艇是一种依靠自身浮力提供升力,能长时驻空的浮空器,在监测预警、通信中继等军事民用领域颇具应用前景和发展潜力。柔性飞艇因其构造较简单、自重较轻、成本较低等独特优势被广泛应用,但由于其主体材料为柔性复合材料,因此对其囊体蒙皮材料的性能要求更高。在前期制备、运输过程中可能会对飞艇囊体造成一定的损伤,同时,平流层中存在昼夜温差大、紫外辐射强、臭氧浓度高等严苛环境因素,囊体蒙皮材料会一定程度的受到撕裂破坏损伤,最终使飞艇的整体结构遭到破坏,减少飞艇使用寿命。基于此,本文研究了存在初始损伤及非整体性结构的平流层飞艇囊体蒙皮材料在经高低温交变处理前后的失效模式以及力学性能变化情况。首先,在平流层飞艇蒙皮试样上预先制造出初始损伤,通过单轴拉伸试验及梯形撕裂试验,探究了不同切缝情况下蒙皮材料的失效过程,分析了囊体蒙皮膜材拉伸撕裂性能在不同切缝长度、切缝角度、切缝位置的变化情况。试验结果表明,蒙皮材料的最大撕裂强度随切缝长度的增加而下降,切缝长度较小时,切缝角度对撕裂强度影响较大。接着,对存在初始中心切缝的飞艇蒙皮材料进行不同循环次数的高低温交变处理,通过设置不同试验参数探究加载速率、载荷上限、加载-卸载循环次数对蒙皮材料切缝形态、残余应变及加载曲线的影响。试验结果表明,当加载-卸载循环次数增多、载荷上限增大,蒙皮材料初始切缝扩大更多,加载速率对切缝形态影响较小。高低温交变循环次数越多,蒙皮材料的卷曲度上升,应变增大,但拉伸撕裂强力下降。最后,对平流层飞艇囊体蒙皮材料在不同拼接方式下的力学性能进行研究,通过单轴拉伸试验、单轴循环拉伸试验、压缩循环试验以及弯曲循环试验,探究了蒙皮材料拼接带的断裂方式以及力学性能。蒙皮材料拼接带主要在两片蒙皮搭接处断开或是蒙皮自身与蒙皮贴片处分离断裂。双层搭接拼接带试样会随着拼接长度的增加,而使得断裂强度增大,同时,纬向拼接带的断裂强度大于经向拼接带的断裂强度。

关键词： 强磁场   脉冲磁体   纤维复合材料   力学分析   有限元分析  

摘要： 脉冲强磁场是现代基础科学领域的重要工具,自上世纪60年代起,美、德、法、日等发达国家先后建立了三十余个脉冲强磁场实验室。磁场强度越高,科研机遇越大,为抢占科研先机,产生100 T以上的超强磁场强度一直是世界各大实验室竞争的焦点。美国于2012年创造了100.75 T的世界纪录,我国目前最高的脉冲磁场强度为94.88 T,位居世界第三。然而磁体运行在超强磁场强度下常表现出意外的端部破坏,现有的设计理论无法进行合理解释,这限制了磁场强度的进一步提升。造成强磁场脉冲磁体破坏模式改变的主要原因是ZYLON/环氧树脂复合材料加固层横向强度低。围绕这一问题,本文首先从加固层的材料测试、本构建模和力学分析三个方面,研究其对强磁场脉冲磁体的影响,之后改进磁体工艺,制造横向强度更高的加固层。通过机理研究和工艺探索,为进一步提升磁场强度提供理论和工程技术支持。主要研究成果和结论概述如下:加固层材料力学测试方面,半湿法缠绕ZYLON纤维难以制得标准试验件,导致相关测试停留在非标准件的纵向拉伸上。为此,基于热压法制备了ZYLON/环氧复合材料高质量标准试验件并进行测试,将材料已知的性能参数由纵向拉伸扩展至纵横向拉压和剪切。根据复合材料微观力学推演了纤维体积含量与复合材料力学性能的关系,得到了磁体加固层的强度和刚度。结果显示,磁体加固层的横向拉压强度仅为玻璃纤维复合材料的10%～20%,从复合材料的横向强度角度来看,ZYLON纤维并不是最佳的加固材料。加固层本构建模方面,构建了纤维复合材料的本构模型,全面地表征了材料的微观损伤、宏观破坏,以及塑性-损伤耦合和后失效过程。选取Puck准则判断是否发生微观损伤和宏观破坏,通过Ladeveze连续介质损伤模型和宏观现象法模拟微观损伤演变和后失效过程的刚度衰减,本构模型采用回退映射算法求解并连接到ANSYS中。对比了层合板双轴力学测试和开孔拉伸测试,模型与测试结果吻合度高,平均误差较经典Chang-Chang模型降低了85%。加固层力学分析方面,传统磁体设计中加固层采用线弹性模型和等效应力失效准则,会忽视其潜在的横向拉压破坏和剪切破坏,导致磁体破坏机理不清。为此,利用测得的加固层力学性能和构建的本构模型,对加固层进行力学分析,揭示其刚度衰减规律和破坏机理,结果表明:内线圈加固层在磁体端部发生拉伸破坏,端部加固层轴向平均刚度衰减41%;外线圈加固层在中平面上发生剪切破坏,中平面加固层轴向平均刚度衰减74%;内线圈加固层的最大环向应力比线弹性模型计算结果高540 MPa,外线圈高470 MPa;内线圈由于端部加固层的破坏会发生局部屈曲,预测磁体发生破坏的磁场强度与实际情况仅相差1.7 T。磁体制造工艺方面,发明了纤维变螺距内加固技术,设计并制造了国际首台纤维变螺距内加固磁体。采用这项技术,内线圈加固层的轴向和径向强度较原方案分别提升了6倍和2倍,成功实现了70 T磁场强度。

关键词： 柔性拉胀材料   旋转八角桁架   偏心弹簧   力学性能  

摘要： 力学超材料（MechanicalMetamaterials）的超常规力学性能可由人为设计其组成结构与排列方式来获得。而负泊松比材料作为典型的力学超材料，具备高剪切模量、高抗压痕阻力、高能量吸收性能以及双曲率等超常力学性能。这些优异的力学性能使得负泊松比材料在航空航天、生物医学、电子设备以及我们的日常生活中都有广泛的应用。负泊松比材料也被称为拉胀材料，具有规则结构的拉胀材料称为拉胀结构。经典的拉胀结构大都是弯曲主导性结构，具有低弹性模量、低屈服强度以及低体积模量等特点，经常被用于柔性电子器件、生物医学以及纺织品等领域。　　本文提出了一种通用的柔性拉胀材料的设计方法，通过在旋转刚体结构中引入桁架晶格和弹性弹簧，设计出一系列具有超高柔性行为的拉胀超材料。以偏心弹簧连接旋转八角桁架结构（ROCT-S）为例，利用3D打印技术对模型进行制备，并结合实验、有限元仿真以及理论推导方法对其力学性能进行了表征。结果表明，ROCT-S具有各向异性以及优异的拉胀性、柔性、可恢复性和线性等力学性能。ROCT-S的力学性能可由弹簧的螺旋半径与桁架结构构型以及杆件直径D来调整。同时，理论结果表明，ROCT-S的拉胀行为与尺度和材料无关。ROCT-S出色的力学性能，可以扩展为多种其它类型的3D拉胀结构。本文提出的弹簧链接旋转桁架结构表现出了极好的面内柔性以及面外力学性能的可设计性，因此在可穿戴柔性护具领域有着较好的应用前景。

关键词： 铁磁性材料   力学性能   特征参数   磁声发射检测  

摘要： 以钢铁为主的铁磁性材料被广泛应用于各种机械设备中。在长期交变载荷作用下，铁磁性金属材料力学性能极易退化，导致构件失效，造成巨大经济损失。磁声发射信号对铁磁性材料的微观金相组织变化非常敏感，针对铁磁性材料力学性能检测问题，本文进行了铁磁性材料力学性能磁声发射检测方法研究。主要研究内容包括:　　(1)考虑微观结构的磁声发射理论分析。建立了磁声发射理论模型，分析了磁声发射模型参数、激励频率及材料微观结构参量对磁声发射信号的影响，通过改变磁畴壁系数可模拟出单峰、双峰和三峰的磁声发射信号。结果表明，磁声发射模型参数、激励频率对磁声发射信号强度和包络形状有影响。磁声发射信号强度与位错密度具有线性关系，与晶粒尺寸呈正相关。　　(2)磁声发射信号特征参数提取方法研究。基于塑性变形试件的磁声发射信号和磁信号，开展了磁声发射信号磁、声特征参数提取方法研究。分析了提取的常规、磁滞回线、磁声滞回曲线和磁声蝶形曲线特征参数对试件塑性变形量的表征能力，结果表明，磁声滞回曲线及磁声蝶形曲线特征参数更适合用于材料力学性能的表征。　　(3)基于磁声发射的铁磁性材料表面硬度测量。开展了铁磁性材料表面硬度磁声发射检测实验，并研究了激励条件及声探头位置对磁声发射检测的影响。基于硬度试件测量的位错密度和晶粒尺寸，进行磁声发射信号理论计算。结果表明，提取的磁声发射特征参数随试件硬度呈单调变化，且理论计算结果与实验结果吻合较好，因此磁声发射技术可用于铁磁性材料力学性能表征。

关键词： 碳纤维束   机织物   环氧树脂   力学性能   有限元法  

摘要： 由于碳纤维具有良好的力学性能,近些年来碳纤维织物的使用也愈发广泛,但是碳纤维编织物很容易在使用过程中磨损导致碳纤维损伤老化以及碳纤维编织物脱散现象,所以对于碳纤维织物复合材料的研究逐渐成为复合材料应用的关注点之一。本文通过手工模压成型制备碳纤维环氧树脂(CF/EP)复合材料,并通过实验方法和模拟方法对于CF/EP复合材料的力学性能进行如下工作: (1)本论文对于四种CF/EP复合材料准静态力学性能进行测试,包括对于CF/EP复合材料的准静态拉伸测试、准静态撕裂测试、准静态穿刺测试,根据准静态测试分析手工成型0°与90°CF/EP复合材料力学性能差异,通过测试前后对比分析材料损伤模式与破坏机理。通过准静态撕裂测试研究CF/EP复合材料在预先施加应力弱化点时材料抗撕裂强度,以及单向CF/EP复合材料与双向CF/EP复合材料0°与90°抗撕裂强度变化。并通过三种不同冲击头对于CF/EP复合材料进行穿刺试验,分析后发现碳纤维束编织密度在一定范围内与手工成型后的CF/EP复合材料抗穿刺性能具有较大线性相关性。 (2)通过控制变量法对于CF/EP复合材料的加固方向的应用进行了研究分析,应用场景为采用CF/EP复合材料加固C35混凝土试样块。通过测试发现经过CF/EP复合材料加固后的混凝土试块力学强度有很大提升,且单向CF/EP复合材料更易受损。对于测试混凝土进行加固后将试样进行压缩测试与劈裂测试,测试混凝土加固后压缩强度与抗拉强度。分析单向编织CF/EP复合材料与三种双向编织CF/EP复合材料加固效果是否存在较大差异性,并分析研究0°与90°两个方向CF/EP复合材料加固效果的强弱,发现材料准静态拉伸性能与材料加固力学性能具有一定关联性。通过试样在进行压缩试验和劈裂试验后对于四组CF/EP复合材料微观损伤样貌,研究在实验结束后材料加固损伤模式,通过测试与分析对于CF/EP复合材料在加固方向的应用提供力学理论基础与依据。 (3)最后本文通过对于CF/EP复合材料的加固方向的应用进行有限元分析,通过ABAQUS软件对于压缩过程进行模拟仿真。通过壳材料宏观建模对于模型进行简化分析,研究二维Chang-Chang本构模型对于CF/EP复合材料的拟合程度,通过对于模型的Vmat材料子程序进行编写,研究压缩过程中CF/EP复合材料受力情况,最后提取碳纤维加固后的混凝土材料的位移-载荷曲线与实测值进行对比分析,研究发现模型二维Chang-Chang本构模型适用于CF/EP复合材料,发现通过有限元法得到的理论数值贴近与试验实测值。

关键词： 氧化石墨烯(GO)   3D打印   力学性能   各向异性   微观结构  

摘要： 制备性能优异的3D打印水泥基材料是建筑3D打印发展需攻克的难关之一。与传统水泥基材料相比,3D打印水泥基材料需满足可打印性的要求,并且层间界面给打印构件带来额外的内部缺陷。氧化石墨烯(GO)作为潜力巨大的纳米增强材料,在土木工程材料领域具有广阔的应用前景。本文基于紧密堆积数学模型Dinger-Funk方程进行3D打印水泥基材料的配合比设计,调整不同GO掺量水泥基材料的打印性能,研究GO对3D打印水泥基材料力学性能的影响,探究GO对微观结构的改善作用,从而解释力学性能增强机理。完成的主要工作和成果如下: 1、基于Dinger-Funk模型进行3D打印水泥基材料配合比设计,其中水泥、粉煤灰、石粉、机制砂Ⅰ、机制砂Ⅱ的体积含量分别为32.01%、5.06%、15.72%、21.16%、26.04%。不同GO掺量(0～0.07%)组别挤出性能优异,流动度控制在193mm～197mm。各组材料可打印时间在55min～65min之间,可建造性保持率在96.5%～99.3%之间,没有发生明显变形。 2、研究不同GO掺量(0～0.07%)对筑模试块和3D打印试块力学性能的影响。结果表明,当GO掺量为0.03%时,筑模试块和3D打印试块的力学性能提升效果最为显著。3D打印试块立方体抗压强度、轴心抗压强度、静弹性模量的试验数值均低于筑模试块,且没有明显的力学性能各向异性行为。3D打印试块劈裂抗拉强度、抗折强度具有明显的力学性能各向异性行为,这是因为加载力作用在3D打印试块层间或条带位置造成。比较劈裂抗拉强度值,3D打印试块Z方向的试验数值高于X方向、Y方向;比较抗折强度值,3D打印试块Y方向、Z方向的试验数值高于X方向。 3、使用X射线计算机断层成像技术、扫描电镜研究3D打印结构层间界面,解释3D打印试块力学性能各向异性行为。结果表明,3D打印试件孔隙在层间界面相对集中,呈现不规则的形状。其中层间界面孔隙率为10.02%,非层间界面孔隙率为6.51%～8.19%;3D打印试块的孔隙在层间界面相连,形成细长条带,造成3D打印试块的力学性能各向异性行为。 4、通过水化热测试技术、X-射线衍射技术、热重分析、化学结合水含量分析、孔结构分析和微观形貌观察,研究GO对3D打印水泥基材料微观结构的影响,解释GO对其力学性能的增强机理。结果表明,GO影响水化产物的结晶过程和形貌,细化晶体尺寸,优化晶体形态和分布。添加适量GO后,水化产物尺寸均匀,呈现密集、相互交织的趋势,细化孔隙结构,优化孔隙分布。GO为水化产物的生长提供了更有利的平台,加速水泥基材料的水化作用,促进水化产物的成核、结晶和相分离,从而增强3D打印水泥基材料的力学性能。